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第1篇 绪论1

第1章　无线传感网络概述1

1.1　引言1

1.2　无线传感网络面临的机遇及其应用2

1.2.1　面临的机遇2

1.2.2　无线传感网络的应用4

1.3　无线传感网络的关键技术6

1.4　无线传感网络的发展趋势及应用前景10

参考文献13

第2篇　无线传感网络系统管理技术15

第2章 无线传感网络的体系结构15

2.1 引言15

2.2　无线传感网络体系结构的特点与需求16

2.3　无线传感节点的构成17

2.4　无线传感网络的节点介绍20

2.5　无线传感网络的嵌入式系统27

2.6　层次化结构问题29

2.6.1　性价比30

2.6.2　网络寿命30

2.6.3 可扩展性31

2.7　无线传感网络的硬件结构31

2.7.1　小型传感节点31

2.7.2　大型传感节点33

2.8　任务分解与分配34

2.8.1 网络测量34

2.8.2　信息处理35

2.8.3　网络通信35

2.9　层次化结构的组成36

2.9.1　工程化网络36

2.9.2　路由机制36

2.9.3　聚类机制37

2.10　层次化结构路由与寻址39

2.10.1　层次化结构路由40

2.10.2　层次化寻址40

2.11　小结43

参考文献43

第3章　无线传感网络通信协议分类46

3.1 引言46

3.2　应用层协议47

3.2.1　传感器管理协议47

3.2.2　任务分派与数据广播协议47

3.2.3　传感器查询与数据分发协议47

3.3　定位协议48

3.4　时钟同步协议49

3.5　传输层协议50

3.6　网络层协议52

3.7　数据链路层协议54

3.8　无线传感网络路由技术56

3.8.1　无线传感网络路由设计相关问题57

3.8.2　无线传感网络路由面临的挑战58

3.9　无线传感网络路由协议设计60

3.10　无线Ad hoc网络的媒体访问控制方案72

3.10.1 IEEE 802.1174

3.10.2　能量唤醒多路访问协议75

3.11　无线传感网络媒体访问控制的设计挑战77

3.12　无线传感网络媒体访问协议80

3.13　小结83

参考文献83

第4章 无线传感网络能效设计87

4.1 引言87

4.2　无线传感网络拓扑能效设计的技术背景89

4.3　无线传感网络拓扑结构设计问题89

4.4　无线传感网络通信能耗分析93

4.5　无线传感网络路由能效性分析94

4.6　定向源感知路由协议96

4.7　DSAP能效性分析97

4.8　无线传感节点能效设计背景102

4.9　无线传感节点能效设计模型102

4.9.1　无线传感节点能耗模型102

4.9.2　可变电压微处理器103

4.9.3　消息头文件104

4.10　包含消息头文件的动态电压调节技术105

4.10.1　无线传感网络的安全需求105

4.10.2　数据加密与解密的能耗105

4.10.3　无线传感节点动态电压调节106

4.11 无线传感网络动态电压调节实验仿真107

4.12　小结111

参考文献112

第5章　无线传感网络性能优化114

5.1　引言114

5.2　异构多级无线传感网络优化设计模型116

5.3　无线传感网络的改进GASA优化设计方法117

5.4　无线传感网络的优化设计仿真实验119

5.5　无线传感网络布局优化问题模型与假设120

5.6　虚拟力导向微粒群优化策略基本原理122

5.6.1　虚拟力算法基本原理122

5.6.2　基于微粒群算法的无线传感网络布局优化基本原理123

5.6.3　虚拟力导向微粒群优化过程125

5.7　虚拟力导向微粒群优化策略仿真实验126

5.8　动态节点选择优化问题128

5.9 动态节点选择优化策略的基本原理131

5.9.1 基于遗传算法的动态节点优化选择过程131

5.9.2　基于Hopfield网络的局部搜索132

5.9.3　无线传感网络动态节点选择优化步骤132

5.10　动态节点选择优化仿真实验133

5.11　对等无线传感网络及任务分配指标136

5.11.1　对等无线传感网络136

5.11.2　任务分配控制策略137

5.12　采用蚁群算法的能效性任务分配控制策略140

5.13　能效性任务分配控制实验分析142

5.14　小结143

参考文献144

第6章　无线传感网络动态能量管理147

6.1　引言147

6.2　空闲能量管理148

6.2.1　多种关闭状态148

6.2.2　传感节点的构成149

6.2.3　睡眠状态转换策略149

6.3　有功能量管理151

6.4　系统实现151

6.4.1　DVS电路152

6.4.2　空闲能量管理硬件实现154

6.4.3　处理器能量模式154

6.4.4　操作系统结构155

6.4.5　传感器特定应用编程接口扩展156

6.5　动态能量管理实验156

6.6 目标预测动态能量优化模型158

6.6.1　协作测量模型158

6.6.2　能耗模型159

6.7　动态能量优化基本原理160

6.7.1　唤醒机制比较160

6.7.2　采用粒子滤波的目标状态预测161

6.7.3 分布式遗传模拟退火算法能量优化162

6.8　动态能量优化的机动目标跟踪163

6.8.1　机动目标模型163

6.8.2　空闲时间规划163

6.8.3　通信路径规划164

6.8.4　节点选择优化165

6.9　仿真实验166

6.9.1　环境设置166

6.9.2　动态能量优化仿真166

6.10　小结168

参考文献169

第7章　无线传感网络安全涉密保护与可靠性170

7.1　引言170

7.2　无线传感网络的安全性与授权机制171

7.2.1 安全性171

7.2.2　系统层安全性171

7.2.3　移动代码172

7.2.4　安全指标172

7.3　安全体系173

7.4　保密技术179

7.4.1　最小泛化原则179

7.4.2　定位信息的保密180

7.5　无线传感网络中的可靠性问题182

7.5.1　可靠性支持问题182

7.5.2　可靠性的分布式支持183

7.5.3　分布式传感器系统的体系结构184

7.5.4　定向扩散网络184

7.6　分布式服务185

7.6.1　可重构的智能节点186

7.6.2　分布式查询服务器186

7.6.3　管理服务器188

7.6.4　自适应服务器188

7.7　分布式系统服务的原理和方法188

7.7.1　远程执行过程188

7.7.2　链接器189

7.7.3　传感网络任务拓扑190

7.8　动态自适应分布式传感网络的应用190

7.8.1　一致性规划191

7.8.2 自适应控制191

7.8.3　传感器功能的故障与性能恢复191

7.9　小结192

参考文献193

第3篇 无线传感网络测试技术195

第8章 无线传感节点小型化及低功耗设计195

8.1　引言195

8.2　MEMS基本原理196

8.2.1　微机械制造技术196

8.2.2　高度集成过程197

8.3　MEMS测量模块设计理论198

8.3.1　MEMS技术选择标准198

8.3.2　集成电路传感器199

8.3.3　纳米传感器199

8.4　MEMS通信模块设计理论199

8.4.1　射频通信技术200

8.4.2　光通信202

8.5　MEMS供能模块设计理论204

8.5.1　能量存储单元204

8.5.2　能量再生单元205

8.6　基于MEMS的节点封装技术205

8.7　MEMS系统集成技术206

8.8　无线传感节点的低功耗设计基本理论208

8.9　网络布局的低功耗设计208

8.10　节点测量模块的低功耗设计209

8.11　节点计算模块的低功耗设计209

8.12　硬件与软件交互的低功耗设计211

8.13　无线传感节点通信模块的低功耗设计212

8.14　小结215

参考文献215

第9章　无线传感网络移动代理数据融合218

9.1　引言218

9.2　无线传感网络的移动代理调度问题219

9.3　无线传感网络的移动代理调度机制220

9.3.1　移动代理派遣的关键因素220

9.3.2　综合评价指标设计222

9.3.3 采用遗传算法优化移动代理调度机制222

9.3.4　符合综合评价指标的移动代理调度过程223

9.4　移动代理调度机制的性能评估223

9.5　采用移动代理的生产过程质量检测实验226

9.5.1　不同工序的缺陷定位228

9.5.2　采用前馈神经网络识别裸板缺陷228

9.6　移动代理分簇融合计算优化原理229

9.6.1　分簇融合计算基本模型229

9.6.2　分簇融合计算优化方法230

9.6.3　仿真实验232

9.7　基于分层动态委员会的多代理决策方法236

9.7.1　委员会决策的基本原理236

9.7.2　分层动态委员会决策方法237

9.7.3　仿真实验242

9.8　小结245

参考文献245

第10章　分布式传感网络计算与信息融合247

10.1 引言247

10.2　分布式传感网络的基本构成248

10.2.1　传统网络结构248

10.2.2　基于移动代理的分布式传感网络248

10.2.3　信息融合方法249

10.3　传感网络布置优化250

10.3.1　计算复杂性250

10.3.2　采用遗传算法的优化传感器布置252

10.4　分布式传感网络的路由策略253

10.4.1 采用遗传算法的移动代理路由253

10.4.2　随时间变化的移动无线网络连接性255

10.4.3　通信协议的适应性路由260

10.5　传感网络信息融合基本原理262

10.5.1 传感网络信息融合的目的262

10.5.2　传感网络信息融合的层次与结构262

10.5.3　典型的信息融合方法263

10.5.4　传感网络信息融合方法的特点266

10.6　分布式自适应动态信息融合方法268

10.6.1　测量模型与方法简述268

10.6.2　测量数据范围的推导269

10.6.3　最优范围的确定270

10.7　小结271

参考文献271

第11章　无线传感网络协作信号处理274

11.1 引言274

11.2　协作式计算模型276

11.3　协作计算体系277

11.4　智能信息的基本理论278

11.4.1　智能信息的工作周期279

11.4.2　智能信息自主路由279

11.5　智能信息的程序接口280

11.6　智能信息系统的实现与评价方法281

11.6.1　智能信息迁移花费281

11.6.2　标签空间操作花费283

11.7　智能信息的应用284

11.7.1 基于智能信息的SPIN传输协议284

11.7.2　基于智能信息的定向扩散协议286

11.8　基于智能信息的SPIN协议与定向扩散协议仿真286

11.9　无线传感网络协作式计算的相关工作289

11.10　无线传感网络协作信号处理问题289

11.10.1 分布式无线传感网络面临的挑战289

11.10.2　协作式信号处理的特点290

11.11 基于协作式信号处理的目标跟踪方法291

11.11.1　单节点目标检测与分类291

11.11.2　协作式目标定位293

11.11.3　目标跟踪与预测298

11.11.4　多目标跟踪数据关联299

11.12　基于协作信号处理的多目标跟踪实验300

11.13　小结305

参考文献305

第4篇 无线传感网络应用307

第12章　无线传感网络覆盖技术307

12.1　引言307

12.2　无线传感网络区域覆盖问题310

12.2.1　能效性随机覆盖方法311

12.2.2　连接性随机覆盖方法312

12.3　无线传感网络的点覆盖问题313

12.3.1　随机型点覆盖问题314

12.3.2　确定型点覆盖问题314

12.4　无线传感网络边界覆盖问题314

12.5　无线传感网络的覆盖能效问题与评价指标315

12.6　无线传感网络覆盖能效优化算法318

12.7　无线传感网络动态能量控制策略319

12.8　无线传感网络动态能量控制实验仿真320

12.8.1 无线传感网络覆盖能效优化效果320

12.8.2　无线传感网络覆盖能效优化的仿真分析322

12.9　小结324

参考文献324

第13章　无线传感网络定位跟踪技术326

13.1 引言326

13.2　无线通信系统的节点定位327

13.3　无线传感网络中的节点定位334

13.4　网络定位算法的基本原理343

13.5　无线传感网络的定位和跟踪算法基本原理345

13.5.1　三边测量法345

13.5.2　多边测量法346

13.5.3　模板匹配法347

13.5.4　节点位置跟踪349

13.5.5　无线传感网络的目标跟踪350

13.6　典型的网络定位系统351

13.7　无线传感网络的滤波跟踪352

13.7.1　模型与假设353

13.7.2　径向基粒子滤波算法基本原理354

13.7.3　实验仿真357

13.8　小结359

参考文献360

第14章　工业领域传感网络及开发仿真平台364

14.1 引言364

14.2　工业传感器的通信协议365

14.3　IEEE 1451智能传感器接口标准375

14.4　基于互联网的传感网络378

14.4.1　IEEE 1451.1的基本概念378

14.4.2　IEEE 1451.1网络化378

14.4.3　多播通信379

14.4.4　互联网联结结构379

14.4.5　互连结构380

14.5　工业网络互联380

14.5.1　互连结构381

14.5.2　执行器-传感器-接口标准381

14.6　无线传感网络的开发环境与仿真平台382

14.6.1　无线传感网络硬件系统382

14.6.2　无线传感网络软件环境386

14.6.3　无线传感网络仿真平台392

14.7　小结397

参考文献398

第15章　无线传感网络测量系统应用399

15.1　引言399

15.2　无线传感网络测量系统结构400

15.3　远程虚拟测量技术的基本原理402

15.4　无线传感网络的远程虚拟测量404

15.5　无线传感网络的远程虚拟测量仿真实验405

15.6　基于无线传感网络的智能维护407

15.7　船只设备监测的应用409

15.8 高尔夫球场设施维护的应用413

15.9　半导体工业的应用415

15.9.1　预测性维护技术416

15.9.2　设计要求417

15.9.3 现场勘察与无线传感节点布置417

15.9.4　层次结构418

15.9.5　系统容错性设计420

15.9.6　实验结果420

15.10　国防反恐的应用420

15.10.1 目标定位基本原理421

15.10.2　目标定位方法422

15.10.3　系统结构422

15.10.4 中间件技术423

15.10.5　现场实验423

15.11　医疗监护系统的应用424

15.11.1 系统背景425

15.11.2　医疗监护系统要求425

15.11.3　系统硬件设计426

15.11.4　系统软件实现428

15.11.5　终端监控界面429

15.11.6　应用前景430

15.12　小结431

参考文献431

附录　部分缩写中英文对照表433